摘要：逆变器作为光伏发电的并网接口以及交直流变换的主要枢纽，其输出电流中常常含有较多谐波。大中型光伏电站逆变器在并联工作模式下输出的谐波满足叠加原理，因此即使单台逆变器输出的谐波较小，多个谐波源的叠加也可能放大谐波畸变，使输出的总谐波超过允许值，进而影响电网电能质量。此外，多个谐波源还可能在配电网内激发高次谐波的功率谐振。本文分析了光伏电站逆变器电能变换中谐波的产生及消除。
关键词：光伏电站逆变器；电能变换；谐波消除
引言
随着光伏电站装机容量的爆发式增长，大规模光伏电站的接入及电力电子装置的广泛应用使得大量非线性负载也加入到电力系统中，对电力系统造成污染，出现电能质量问题。目前，谐波问题是制约光伏电站并网最主要的问题之一。
1 光伏电站逆变器电能变换中谐波的产生
1.1 在大型光伏电站集电系统中，各发电单元之间的电缆由于线路长度短、电压等级低，因而在某些研究中忽略了电缆参数的影响，认为各个发电单元为简单的并联关系。在忽略站内集电系统的电缆参数后，网络的谐振频率有所降低，谐振点的电压放大倍数也明显增大，其余各点的电压放大情况也有所改变。在考虑站内集电系统电缆参数的情况下，电压放大倍数随输入谐波次数的增加呈上升趋势，随后逐渐下降，在忽略站内集电系统电缆参数的情况下，网络在输入6 次谐波电流时发生了谐振，当谐波次数小于6 次时，电压放大倍数随输入谐波次数的增加呈上升趋势，随后逐渐下降，由此可见，大型光伏电站中集电系统的电缆参数会对谐波分析结果造成一定影响，所以在进行谐波分析时应当考虑站内集电系统的电缆参数。
1.2 电缆阻抗值大小的改变
对PCC 点处的谐振频率几乎没有影响，但是随着电缆阻抗值的增大，PCC 点在谐振频率下的电压放大倍数先减小后增大; 电缆导纳值大小的改变对PCC点处的谐振频率也没有明显的影响，但是随着电缆导纳值的增大，PCC 点在谐振频率下的电压放大倍数逐渐增大，但增大得比较缓慢。由于在站内集电系统中，各发电单元之间的电缆线路长度短、电压等级低，所以电缆参数的改变对于PCC 点各次谐波电压放大倍数的影响并不明显，但如果不考虑电压放大倍数，只从电压幅值的计算结果来看，电缆参数的改变对该点各次谐波电压幅值大小的影响较为明显。
1.3 输电线路和电缆。在基波计算时，输电线路通常采用π型等值电路。但是在谐波计算中，由于线路的分布特性比基波时更加显著，因而每个π型所能代表的线路距离将大为缩短。因此在谐波计算中，更多使用的是分布参数等值电路。为使长线路的分布参数等值电路计算更加便利，采用双曲函数来计算输电线路和电缆的等值电路。h 次谐波时，线路单位长度的谐波参数为 ：式中: Zoh为线路的单位长度谐波阻抗; Ｒoh为单位长度谐波电阻; X1为单位长度基波电抗。在高次谐波的作用下，变压器绕组的集肤效应和邻近效应都变得更加显著，电阻值要增大。
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1.4 假设所有逆变器和变压器的参数完全相同情况下，大型光伏电站中由于容性无功补偿装置的存在，对于单组模块而言，相当于使得光伏逆变器中的滤波器等效为滤波器，系统存在1 个谐振峰。大型光伏电站中存在多组模块并联时系统包含2 个谐振峰，导致逆变器输出电流以及并网点电压存在大量高次谐波，系统并网电能质量严重降低。
2 消除方法
2.1 集电系统内部电缆线路参数对PCC 点谐波电压放大特性有影响。由于各发电单元之间的电缆线路长度短、电压等级低，电缆参数的改变对于该点的谐波电压放大特性影响相对较小。
2.2 对于电压空间矢量控制，通过调试完善参数，使得并网相电压、相电流接近正弦波，且保持电压与电流同相位，由于在0.15s处跟踪到最大功率点，所以并网波形在前期发生震荡，0.15s之后进入稳态。利用谐波检测模块对并网电流进行谐波分析，谐波含量为0.06%，0.05s后，基本达到单位功率因数并网，符合大规模光伏电站接入电网谐波标准。
2.3 等面积法与谐波注入法。本文在选择谐波消除法基础上，提出了一种比较新颖的消除谐波方法，求解过程中不会包含多变量高次方程。其基本原理为：以等面积法为基础，利用参考正弦波产生一系列生成阶梯波所需的开关角，则所产生的既含有基波电压也含有低次谐波电压，如果在参考正弦电压中注入所选择需要消除的低次谐波，则所注入的低次谐波将会减小甚至消除参考正弦电压波形产生的该低次谐波。人们研究了用牛顿迭代法求取开关角数值解，对牛顿迭代法，初始化值对最后牛顿迭代结果有较大影响，初始取值不同产生的结果可能偏差较大，并且迭代过程计算比较繁琐，所以较少运用。为此本文利用等面积法求取开关角，等面积法是一种求取初始化开关角的方法，开关角产生的阶梯电压波形基波与正弦调制波相似，通过等面积法可以简单实现开关角优化计算。谐波注入法消除谐波。有源电力滤波器（Active PowerFilter，APF）用于消除公用电力线路中电压/电流谐波。为了消除线路中存在的谐波，APF 向线路中注入新的电压或电流谐波，注入的谐波与要消除的谐波有相同的幅值和相反的相位角，这样线路中存在的谐波可以被有效消除。通过等面积法与谐波注入法组合，就得到了一种新的求取优化开关角消除多电平逆变器中低频谐波的方法。由于注入的谐波与要消除的谐波有相同的幅值但相反的相位角，最后开关角形成的阶梯电压波形中将会减小甚至不再含有所选择消除的谐波。
3 结语
本文的研究光伏电站谐波机理及其抑制方法的研究提供了一定参考，对今后大型光伏电站的建设具有一定的指导意义。
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论文作者:芦婷婷
论文发表刊物:《电力设备》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/2
标签：谐波论文; 电压论文; 电站论文; 光伏论文; 电缆论文; 逆变器论文; 谐振论文; 《电力设备》2017年第9期论文;